基於耦合振動器的大地模型的地震數據濾波的製作方法

2023-10-17 12:56:24

專利名稱：基於耦合振動器的大地模型的地震數據濾波的製作方法
基於耦合振動器的大地模型的地震數據濾波相關申請的引用本申請是2010年10月14日提交的美國專利申請N0.61/393，106的非臨時申請，該專利申請在此整體引為參考，並要求其優先權。
背景技術：
油氣勘探行業採用地球物理學工具和技術以識別具有潛在碳氫化合物沉積物的地下結構。通常稱為地震勘探，這些技術和工具通過記錄呈從地質構造反射或折射的振動形式的能量，產生地下結構的圖像。在地震勘探中，例如，由震源產生並傳遞到大地中的地震波在地下的巖石上反射。不同巖石之間的邊界常常反射地震波，與這些地震波相關的信息被收集並處理從而產生地下的表現或者圖像。當由震源產生的地震波到達分隔聲學密度不同的巖石的層面時，一部分波反射回表面，導致地表升高或下降，這取決於記錄的是地震波的膨脹期還是壓縮期。波的剩餘部分被折射或衍射。稱為地震測線的二維圖像實質上是地球的與地震檢波器的線路平行取向的截面視圖。也可以作為地震測線的相交網格(稱為3D地震體)收集所述信息。任何數量的勘探系統都可以收集期望的信息以便處理。炸藥爆炸、振動車、氣槍等能夠產生地震波。可以成行地布置諸如速度地震檢波器、加速計和/或水聽器之類的傳感器，或者在水聽器的情況下，可以拖曳傳感器，以測量波離開震源，在巖石邊界反射，並回到所使用的傳感器所花費的時間。圖1中的示例地震系統 10能夠產生地球物理信息，以對地下結構成像。系統10具有與已知為震測排列的地震採集陣列12通信的中央控制器/記錄器90。陣列12具有隔開的傳感器站20，每個傳感器站20可具有一個或多個傳感器22。傳感器22測量地球物理信息，並且可包括用於獲得已知為3D地震的3維能量的3組件傳感器。傳感器22可包括加速計、速度地震檢波器、麥克風等，並且陣列12可被部署在陸地或者海床位置。震源30將聲能傳遞到大地中，傳感器22接收在地下結構中的邊界處反射和折射後的能量。陣列12隨後利用無線技術或其它通信技術，與中央控制器或記錄器90交流傳感器數據。為了傳遞聲能，震源30可以是振動器，比如圖2中所示的振動器，不過可以使用其它類型的源。振動器30利用底板70和反應物料50，向大地傳送作用力。對陸上地震來說，振動器30 —般安裝在運輸車(未示出)上，運輸車利用杆32/34將振動器30降低到大地。隨著振動器30被降低，車輛的重量使底板70保持與地面接合，從而震源信號能夠被傳送到地球中。反應物料50被直接定位於底板70上方，支柱52從底板70伸出，並穿過反應物料50，從而穩定反應物料50。在內部，反應物料50具有在其中形成的汽缸56，垂直延伸的活塞60延伸通過此汽缸56，且活塞60上的頭部將汽缸56分成多個腔室。活塞60的兩端連接到橫梁54U-L，橫梁54U-L連接到支柱52。帶有隔離器40的支腳36將底板70和杆34隔開，受拉構件42互連在支腳36和底板70之間。當使振動器30升高和降低到大地時，受拉構件42保持底板。最後，在支腳36的底部和底板70之間，還安裝減震器44，以在它們之間隔離振動。操作中，控制器80接收來自測量底板70的加速度的第一傳感器85的信號，並接收來自測量反應物料50的加速度的第二傳感器87的信號。根據來自這些傳感器85/87的反饋，和操作振動器30的期望掃描信號，控制器80生成控制伺服閥組件82的導頻信號。受驅動信號驅動，伺服閥組件82在液壓流體供應源84和活塞60之間交替地輸送液壓流體。反應物料50在活塞60上往復振動。振動的反應物料50產生的作用力又通過支柱52和活塞60傳遞到底板70，使得底板70以期望的振幅和頻率振動，或者掃掠，從而產生進入大地的震源信號。當移動的反應物料50作用於底板70，從而將震源信號傳遞到地球中時，信號穿過大地，在間斷面和地層處反射，隨後朝著地表傳播。在地表，圖1的具有與大地耦合的地震檢波接收器或者其它傳感器22的陣列12檢測反射的信號，圖1的記錄器90記錄從地震檢波接收器22接收的地震數據92。在某個時刻，數據處理系統98接收來自地震記錄器90的地震數據92 (地震數據92還可包括來自地震振動器30的記錄數據，如果諸如導頻信號、加速度數據和加權和地面力是分開保存的話)。數據處理系統98可利用相關處理器使振動器30提供的計算的地面力和地震檢波接收器22接收的地震數據92相關聯。最後，關聯的信息可被用於產生地球的地下結構的圖像或表現。當操作這種現有的振動器30時，操作人員遇到如何精確地確定振動器30施加給大地的地面力，和精確地使振動器的操作與產生的震源信號相關聯的問題。理想地，操作人員希望知道當傳遞地震能量時，底板70對大地施加的實際地面力。如圖2中所示，本地傳感器85 (例如，加速計或地震檢波器)一般定位在振動器50的上部橫梁54U上，上部橫梁54U位於反應物料50上方。操作中，圖2 中所示的控制器80利用位於上部橫梁54U上的本地傳感器85，並利用位於反應物料50上的傳感器87，測量傳遞到大地中的信號。當圖1的數據處理系統98接收構成地震傳播的地震數據92時，它還接收來自在震源30上的這些傳感器85/87的加速度信號。系統98的相關處理器隨後利用各種算法，將波信號數據與失真和其它亂真信號區分開。這種方法的問題在於原始震源信號失真會改變，從而使相關變得困難。當在振動器30處的計算的地面力信號與現場測量的遠場信號互相關時，建模系統10時使用的不切實際的假設會破壞結果。特別地，振動器30在地表上工作，由於沙子、巖石、植被等的存在，地表會因位置而顯著變化。從而，當在給定位置處貼著地面部署底板70時，常常不能平坦地支撐底板70。另外，底板70將彎曲，從而在操作期間直接影響控制系統。結果，取決于振動器30被部署在何處，產生的輻射能量可能因位置而異。於是，振動器的源特徵不是從每個位置都相同(或者幾乎相同)，並且不是表徵地可重複的，而這是在進行地震分析時所希望的。從而，更精確地了解源30傳遞到大地中的源信號可以在數據處理階段使相關變得更容易。本公開的主題目的在於克服，或者至少減小上述問題中的一個或多個的影響。

發明內容
耦合振動器的大地濾波器改善在地震操作期間記錄的地震數據。該濾波器以大地模型為基礎，所述大地模型考慮振動器系統、底板和捕獲的大地之間的耦合系統，和耦合的大地系統。利用來自底板和反應物料的加速度數據，大地模型可用於得到大地模型的特定變量以幫助表徵該系統。通過在大地濾波器中利用得到的變量，可校正記錄的地震數據，以除去由典型假設產生的追蹤數據中的誤差。在地震數據處理方法中，例如，獲得地震能量源的反應物料和底板的加速度數據，以及對所述源的地震能量作出響應的一個或多個地震傳感器的地震數據。通過分析與相對於彼此作為輸入和輸出的反應物料加速度數據和底板加速度數據相關的頻率響應，導出大地模型的變量，利用大地模型和得到的變量，對表示所述源的操作的源信號進行濾波。所述源信號可以是導頻信號或者加權地面力的和。濾波後的源信號可以用於所述一個或多個地震傳感器的地震數據的處理，從而可使地震數據與濾波後的源信號相關。

在地震數據處理設備中，例如，存儲器保存大地模型、表示地震能量源的操作的源信號、源的反應物料和底板的加速度數據，和對源的地震能量作出響應的一個或多個地震傳感器的地震數據。一個或多個處理單元在操作上與存儲器耦合。所述一個或多個處理單元分析與相對於彼此作為輸入和輸出的反應物料加速度數據和底板加速度數據相關的頻率響應，並且根據分析的頻率響應導出大地模型的變量。所述一個或多個處理單元利用大地模型和導出的變量對源進行濾波，並且使濾波後的源信號可用於地震數據的處理，從而可使地震數據與濾波後的源信號相關。上述概要並不意圖概述本公開的每個可能的實施例或者每個方面。


圖1圖解說明按照現有技術的產生地球物理信息的地震系統。圖2示意地圖解說明現有技術的振動器。圖3圖解說明按照本公開的產生地球物理信息的地震系統。圖4示意地圖解說明按照本公開的耦合振動器的大地模型。圖5示意地圖解說明按照本公開的耦合振動器的大地濾波器。圖6A用圖表示反應物料加速度和底板加速度的理論頻率響應，其中反應物料加速度是輸入，底板加速度是輸出。圖6B利用記錄在標準振動器上的數據，用圖表示反應物料加速度和底板加速度的頻率響應，其中反應物料加速度是輸入，底板加速度是輸出。圖7表示得出本公開的耦合振動器的大地濾波器的處理。圖8表示利用本公開的耦合振動器的大地濾波器的處理。圖9圖示在不同深度處並具有濾波的加權和地面力的井下地震檢波器的功率譜。圖10圖示由分別與1000英尺(304.Sm)地震檢波器數據，和與耦合振動器的大地模型數據互相關的導頻掃描產生的子波。圖1lA圖示利用標準振動器建模的導頻掃描的衍生物與1000英尺井下地震檢波器數據的互相關，和濾波的導頻掃描與1000英尺井下地震檢波器數據的互相關。圖1lB圖示利用改進的振動器建模的導頻掃描的衍生物與1000英尺井下地震檢波器數據的互相關，和濾波的導頻掃描與1000英尺井下地震檢波器數據的互相關。圖12A圖示利用標準振動器建模的加權和地面力的衍生物與1000英尺井下地震檢波器數據的互相關，和濾波的加權和地面力與1000英尺井下地震檢波器數據的互相關。圖12B圖示利用改進的振動器建模的加權和地面力的衍生物與1000英尺井下地震檢波器數據的互相關，和濾波的加權和地面力與1000英尺井下地震檢波器數據的互相關。圖13圖示地表地震檢波器和根據底板加速計數據計算的速度的振幅譜的比較。圖14表示可按照本公開使用的地球物理信息處理系統。
具體實施例方式A.地震系統圖3中的示例地震系統10能夠產生地球物理信息，以對地球地下結構成像。系統10具有與稱為震測排列的地震採集陣列12通信的中央控制器/記錄器90。如前所述，陣列12具有隔開的傳感器站20，每個傳感器站20可具有一個或多個傳感器22。傳感器22測量地球物理信息，並可以包括用於獲得稱為3D地震的3維能量的3分量傳感器。傳感器22可包括加速計、速度地震檢波器、麥克風等，並且陣列12可被部署在陸地或海床位置。
如前所述，震源30將聲能傳遞到大地中，傳感器22接收在地球地下結構中的邊界處反射和折射後的能量。震源30可類似於前面參考圖2公開的振動器。為了便於討論，將參考圖2的振動器30的組件，包括如在圖3中圖解的反應物料50、底板70和控制器80。不過，按照本公開的震源30不一定必須是液壓操作的振動器。相反，震源30可以是具有電動機的地震振動器，可以具有內部或外部驅動器，可以產生地震剪切波(S-波)或者地震壓縮波(P-波)。通常， 振動器30可以是具有控制器80，並且具有用於將能量傳遞到大地中的反應物料50和底板70的任何類型的振動器。如前所述，運動的反應物料50作用于振動器30的底板70，以將震源信號傳遞到大地中。信號穿過大地，在間斷面和地層處反射，隨後朝著地表傳播。在地表，具有與大地耦合的地震檢波接收器22的陣列12檢測反射的信號，並且陣列12利用無線技術或其它通信技術與中央控制器或記錄器90交流地震數據。記錄器90記錄來自地震檢波接收器22的地震數據92。在某個時刻，採用數據處理系統98處理地震數據92(如果諸如導頻信號、加速度數據和加權和地面力的信息是分開保存的，地震數據92還可包括來自地震振動器30的記錄數據)。為了改善利用數據處理系統98產生的後續成像，按照本公開的耦合振動器的大地濾波器系統94被用於修正或改善原始地震數據92，使得改善的數據96可被提供給數據處理系統98。當該操作完成時，數據處理系統98可以利用它的相關處理器(未示出)使振動器30提供的信息中的計算的地面力和地震數據96相關，並且最後可提供更清晰的地震成像用數據。如前所述，振動器的控制器80測量來自本地傳感器的加速度數據。在記錄器90接收的地震數據92的一部分包括來自所述本地傳感器的關于振動器30的底板70和反應物料50 二者的加速度數據。與振動器30的耦合狀況相關的動態運動被記錄和嵌入底板加速度數據中。另外，振動器的致動器(例如，液壓系統)的運動被記錄和嵌入反應物料加速度數據中。這些測量結果是利用記錄器90在數據採集期間記錄的，並被濾波器系統94用於處理數據。特別地，在利用數據處理系統98處理之前，大地濾波器系統94利用該加速度數據及振動器30和大地之間的耦合的模型來濾波或校正地震數據92。在轉到濾波器系統94的具體細節之前，討論首先集中於用於濾波器系統94的耦合振動器的大地模型。B.耦合振動器的大地模型如前所述，振動器30在地表介質會因位置而顯著變化的地表上工作。當通過向底板70施加壓制重力，使振動器的底板70與地面耦合時，底板70和耦合的地面連接在一起，從而變成一個系統。由於底板70的剛性低以及地表狀況不同，耦合振動器的大地模型會是一個複雜的系統。圖4示意地描述按照本公開的耦合振動器的大地模型100。除了振動器系統30以夕卜，大地模型100具有3個子系統，所述3個子系統包括耦合系統110、不同質的彈性耦合的大地系統120，和同質的彈性深層大地130。這些子系統表示從振動器系統(30)到大地(130)的可控震源子波的複雜傳輸。耦合振動器的大地模型100將底板70的剛性表示成存在於底板70和大地的邊界處相互作用的非理想接觸剛度的一部分。模型100可充當振動器-大地相互作用的更逼真表示，並且能夠描述各種非線性接觸行為(比如部分接觸和完全接觸)。

在圖4中，大地系統120被描述成由大地質量Mg、大地剛度Kg和大地粘度Dg組成的線性二階系統。振動器系統130也被看作線性的剛性體。在模型100中，底板70隻被視為具有質量Mbp，並且其剛度被分散，從而變成接觸剛度的一部分。於是，模型100的接觸剛度位于振動器底板70和大地之間。這裡，接觸剛度被定義成連接振動器底板70和大地130的一組「彈簧」(kCl，kc2等)，值取決於在振動器工作期間，物理連接底板70和大地的「彈簧」(!《^，!《^等)數目。於是，接觸剛度是可變剛度。已知，當振動器30因振動器底板70的剛性低而高頻顫動時，常常發生部分解耦。在不平坦的地面上，這種解耦變得更嚴重。當振動器30處於壓縮模式時，在振動器底板70和大地之間存在更多的接觸區。更多的接觸區意味著模型100中的更多「彈簧」，和更大的剛度。然而，當振動器30進入釋放模式時，會發生部分解耦。這意味底板70失去與地面的一些接觸，使得接觸剛度降低。在壓縮周期的半途，接觸剛度降低，直到釋放周期的半途為止，並且其值隨掃描頻率的增大而降低。當振動器30位於不平坦的大地上時，振動器底板70受到許多運動，比如彎曲、撓曲和扭曲，使得接觸剛度變得更加不可預測，並且諧波失
真變得更嚴重。在圖4的t旲型100中，f禹合系統110試圖描述在底板70和f禹合的大地系統120之間的界面處的耦合狀況。耦合系統110可用一組彈簧kCl、kc2,...，1 ^和阻尼器D。建模。在該系統120內，彈簧kCl、kc2，..., kcn連接振動器的底板70和耦合的大地系統120，並用於表示在振動器30的操作期間，在底板70和耦合的大地系統120之間的變化的接觸剛度。值得注意地，取決於底板70和耦合的大地之間的接觸區，底板的剛度被分離成多個較小的局部剛度係數，這些多個較小的局部剛度係數被分散以便與這些彈簧kCl、kc2,...，kcn結合。阻尼器D。代表地表介質(例如，地上的薄層植物或草)的粘度。對其來說，圖4中的耦合的大地系統120被描述成不同質的彈性系統，並且可用質量-彈簧-阻尼模型表示。系統120不同質，因為捕獲地面質量Mg、大地剛度Kg和大地粘度Dg的值因位置而異。當在振動期間被裝載到振動器的底板70上時，此系統120 (尤其是捕獲的大地質量Mg與底板70結合，變成振動源的一部分。在每個振動器顫動點，振動器的底板70觸摸該耦合的大地系統120，如前所述，在正在被記錄的底板加速度數據中嵌入和檢測此系統120的運動。如下更詳細所述，通過利用振動器現場測量結果，能夠估計該耦合的大地系統120的3個參數仏、1(8和Dg。幸運的是，此系統120可被看作彈性線性系統，因為其非線性的總影響可較小，且可被忽略，尤其是當與存在于振動器液壓系統中的非線性和由底板70的低剛性引起的非線性相比時。圖4中的深層大地體130被描述成同質的彈性系統。在深層大地體130中，傳播的子波幾乎保持不變。特別地，實驗測試可表明在深層大地中遠場子波保持不變，並且可以將深層大地視為同質並且有彈性。結合在一起的所有系統30、110和120構成耦合振動器的大地模型100。在Zhouhong Wei 的「Modeling and modal a nalysis of seismic vibrator baseplate」，(Geophysical Prospecting, 58,19-31 (2010))中，可以找到大地模型100白勺其它細節，該文獻在此整體引為參考。C.耦合振動器的大地濾波器給定到圖4的耦合振動器的大地模型100，圖5的方框圖表示要在耦合振動器的大地模型100中量化，以便產生供這裡公開的用途之用的耦合振動器的大地濾波器150的具體細節。本質上，圖5的耦合振動器的大地濾波器150包含用公式表述的振動器的底板系統105，耦合系統110，和不同質的彈性耦合的大地系統120。此耦合振動器的大地濾波器150是最小相位的。在大地濾波器150中，振動器的底板系統105可用以下傳遞函數表示:
權利要求
1.一種地震數據處理方法，包括: 獲得地震能量源的反應物料加速度數據； 獲得所述源的底板加速度數據； 獲得響應於所述源的地震能量的一個或多個地震傳感器的地震數據； 通過分析與相對於彼此作為輸入和輸出的反應物料加速度數據和底板加速度數據相關的頻率響應，導出大地模型的變量； 利用大地模型和導出的變量，對指示所述源的操作的源信號進行濾波；和 使濾波後的源信號可用於所述一個或多個地震傳感器的地震數據的處理。
2.按照權利要求1所述的方法，其中獲得反應物料加速度數據包括獲得與所述源的反應物料相關的加速計的讀數。
3.按照權利要求1所述的方法，其中獲得底板加速度數據包括獲得與所述源的底板相關的加速計的讀數。
4.按照權利要求1所述的方法，其中獲得反應物料和底板加速度數據包括從與所述源相關的記錄器接收反應物料和底板加速度數據。
5.按照權利要求1所述的方法，其中獲得一個或多個地震傳感器的地震數據包括從與所述一個或多個地震傳感器相關聯的記錄器接收所述地震數據。
6.按照權利要求1所述的方法，其中導出大地模型的變量包括根據由頻率響應指出的共振頻率，導出所述大地模型的捕獲的大地的質量、粘度和剛度。
7.按照權利要求1所述的方法，其中導出大地模型的變量包括根據所述頻率響應中大於共振頻率的頻率，導出所述底板和大地之間的耦合的粘度和剛度。
8.按照權利要求1所述的方法，其中對源信號進行濾波包括對所述源的加權和地面力進行濾波。
9.按照權利要求8所述的方法，其中所述加權和地面力包括與第二力相加的第一力，所述第一力由所述源的反應物料的質量乘以所述反應物料加速度數據定義，所述第二力由所述源的底板的質量乘以所述底板加速度數據定義。
10.按照權利要求1所述的方法，其中對源信號進行濾波包括對所述源的導頻信號進行濾波。
11.按照權利要求1所述的方法，還包括使地震數據與濾波後的源信號相關。
12.按照權利要求1所述的方法，其中導出大地模型的變量包括:利用根據所述源的底板的質量值Mbp、代表地表介質的粘度的阻尼值D。和代表所述大地模型的接觸剛度的剛度值K。的第一變換函數對所述大地模型中的所述源的底板系統建模。
13.按照權利要求12所述的方法，其中所述第一變換函數包括:
14.按照權利要求1所述的方法，其中導出所述大地模型的變量包括:利用根據代表地表介質的粘度的阻尼值D。和代表所述大地模型中的源的耦合系統的接觸剛度的剛度值K。的第二變換函數對所述大地模型中的源的所述耦合系統建模。
15.按照權利要求14所述的方法，其中所述第二變換函數包括:
16.按照權利要求1所述的方法，其中導出大地模型的變量包括:利用根據捕獲的大地的質量值Mg、代表捕獲的大地的接觸粘度的阻尼值Dg和代表捕獲的大地的接觸剛度的剛度值Kg的第三變換函數對所述大地模型中的源的耦合的大地系統建模。
17.按照權利要求16所述的方法，其中所述第三變換函數包括:
18.按照權利要求1所述的方法，其中通過分析與相對於彼此作為輸入和輸出的反應物料加速度數據和底板加速度數據相關的頻率響應，導出大地模型的變量包括:對所述頻率響應中低於底板和大地的共振頻率的第一區域應用曲線擬合，以導出代表大地模型中的捕獲的大地的質量的質量值Mg、代表捕獲的大地的接觸剛度的剛度值Kg和代表捕獲的大地的接觸粘度的阻尼值Dg。
19.按照權利要求1所述的方法，其中通過分析與相對於彼此作為輸入和輸出的反應物料加速度數據和底板加速度數據相關的頻率響應，導出大地模型的變量包括:對所述頻率響應中高於所述源的底板和大地的共振頻率的第二區域應用曲線擬合，以導出代表地表介質的粘度的阻尼值D。和代表接觸剛度的剛度值K。。
20.一種程序存儲設備，所述程序存儲設備具有保存在其上的使可編程控制設備執行按照權利要求1所述的方法的程序指令。
21.一種地震數據處理設備，包括: 存儲器，所述存儲器保存大地模型、指示地震能量源的操作的源信號、所述源的反應物料加速度數據、所述源的底板加速度數據，和響應於所述源的地震能量的一個或多個地震傳感器的地震數據；和 一個或多個處理單元，所述一個或多個處理單元在操作上與存儲器耦合，並被配置成: 分析與相對於彼此作為輸入和輸出的反應物料加速度數據和底板加速度數據相關的頻率響應， 基於分析的頻率響應，導出大地模型的變量； 利用所述大地模型和導出的變量，對所述源信號進行濾波；和 使濾波後的源信號可用於所述地震數據的處理。
22.按照權利要求21所述的地震數據處理設備，其中所述一個或多個處理單元可操作為使所述地震數據與濾波後的震源信號相關。
全文摘要
耦合振動器的大地濾波器改善在地震操作中記錄的地震數據。該濾波器以考慮到振動器系統、底板和捕獲的大地之間的耦合系統，和耦合的大地系統的大地模型為基礎。利用來自底板和反應物料的加速度數據，大地模型可被用於導出大地模型的特定變量以幫助表徵系統。通過在大地濾波器中利用導出的變量，可以校正記錄的地震數據從而除去由典型假設產生的追蹤數據中的誤差。
文檔編號G01V1/37GK103238087SQ201180055874
公開日2013年8月7日 申請日期2011年10月14日 優先權日2010年10月14日
發明者魏周宏, T·菲利普斯 申請人:英洛瓦有限公司